Figure 6A は、この試験で使用するループ・センサーの構造の詳細を示す。
このループ・センサーからの出力は、
10kΩ 以上の入力インピーダンスの 10Hz±20% の分解能帯域幅の
オーディオ周波数スペクトラム・アナライザに接続され、
その電圧 V (実効値、あるいは準尖頭値) が測定される。
測定された磁界 (H) の A/m の値は、
V は mV、f は Hz として、
その変換係数 (トランスジューサ係数) を用いて求められる：
H = 253 V / f。
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翻訳: T. Sato
これは、欧州 EMC 指令でカバーされる機器のための 「Do-It-Yourself」の電磁環境両立性 (EMC) 試験テクニックに関する 隔月の７回のシリーズの記事の６番目のものである。 このシリーズは試験方法全体 ――開発や障害検出の目的での簡単な試験から、 最小コストの EMC 確認、様々な程度の精度での「予備適合性試験」、 大きなシステムや設備のためのオン・サイト試験、 そして試験認証機関の要求を満たせる規定通りの適合性試験まで―― をカバーするであろう
勿論、5000人の組織にとって低コストであるものは、 50人の組織はかなり高価なものであると考えるかも知れず、 1人だけのものにとっては高価すぎるものとなるかも知れないが、 ここでは誰もとり残されないように可能なコストの全範囲をカバーするつもりである。 もしあなたが EMC 試験の費用を節約したいと思い、 あるいは不適合の製品を販売していることに気付く可能性を減らしたいと思うのであれば、 あなたはより賢くなり、またより熟達しなければならないことを憶えておくこと。 低コスト、低リスク、そして低 EMC スキルを同時に求めることはできない。
このシリーズは、管理や法的な問題 (例えば、EMC 指令への適合の保証のためにどの程度の試験を行なうべきか) はカバーしない。 これは、EMC 試験を実際にどのように実施するかを充分に詳細に述べもしない。 遥かに多くの情報は、試験規格そのもの、 そしてこれらの記事の最後に付けられた参考文献から入手できる。
これらの７個の記事でカバーされるトピックは：
そして、第０部は、第三者テスト・ラボを用いる際に どうやって最大の価値を得るかも述べた。
このシリーズは、典型的な住居／商業／工業環境向け EN 規格に対する 試験に焦点を当てる。 自動車、航空宇宙、宇宙、鉄道、海上、そして軍事環境のためには、 他の種類のイミュニティ試験が要求されるかも知れない。 これらの産業界、そしてその他の産業界は、大抵は信頼性上の理由のために、 彼ら自身の特定の種類の干渉に基づいた 彼ら自身のイミュニティ試験規格を何年にもわたって作ってきた。
イミュニティ試験の、以下の重要な点に関するより詳しいことは、 このシリーズの第４部 [2] を参照されたい：
ここで述べる EN 基本規格の試験方法は、通常は IEC 基本規格の試験方法と同一 (例えば、EN 61000-4-8 は IEC 61000-4-8 と同一) であるので、 この記事は EU 外の EMC 規定が適用される場合にも有用かも知れない。
安全上の重要な注意： このパートで述べる試験の一部には、電気的な危険、 特に主電源に関係するものが伴うので、 全ての適切な危険防止策を講じなければならない。 もし講じるべき正確な危険防止策に何らかの疑問があるならば、 その資格がある人に尋ねること。 EN 61010-1:2001 は、 試験や測定の状況において最も適当な安全規格となることが多い。
適切な資格を持つ人をあなたの組織の外で探す必要があるかも知れない ―― もしそうであれば、地方の労働安全衛生検査官や LVD 通知機関は、誰かを推薦できる筈である。 安全衛生検査官は地方の電話帳や番号案内で見付けられるし、 LVD 通知機関のリストや連絡先の詳細は LVD のページ、 http://europa.eu.int/comm/enterprise/electr_equipment/lv/index.htm で見付けられる。
ある機器が他のものの近傍にある場合、LF 磁界が干渉を引き起こし得る。 これは、CRT イメージの「揺らぎ」で特に問題となるが、 計装、ビデオ、あるいはオーディオのようなベースバンド回路でも、 状況によってはその回路やケーブルが磁界に結合して 相当のクロストークを受ける可能性がある。
EN 55103-1 [3] ――「PAVI」規格 (professional audio, video, and lighting industry) と呼ばれるもの―― は、50Hz〜50kHz の LF 磁界に対するエミッション試験を含んでいる。 このような専門家向け機器は、 往々にして他の機器の極めて近くに収納されたり積み重ねられたりし、 磁界結合が現実の懸念となり得る。
EN 55103-1 の仲間のイミュニティ規格は EN 55103-2 [5] であり、 これは 50Hz〜10kHz の LF 磁界に対するイミュニティ試験を含んでいる (後述)。 この組となる規格の磁界要求を満足することは、 互いに近付けて置かれる機器の LF 磁界クロストークからの解放の保証を助けるであろう。
[3] の磁界試験法は、30Hz〜100kHz をカバーする USA の MIL-STD-462D method RE101 に基づいている。 これは、20Hz〜50kHz をカバーする UK の DEF STAN 59-41 method DRE02 に、 同一でないとしても似ている。
Figure 6A は、この試験で使用するループ・センサーの構造の詳細を示す。
このループ・センサーからの出力は、
10kΩ 以上の入力インピーダンスの 10Hz±20% の分解能帯域幅の
オーディオ周波数スペクトラム・アナライザに接続され、
その電圧 V (実効値、あるいは準尖頭値) が測定される。
測定された磁界 (H) の A/m の値は、
V は mV、f は Hz として、
その変換係数 (トランスジューサ係数) を用いて求められる：
H = 253 V / f。
それが Figure 6A に従って作られ、上の変換係数が用いられたならば、 このループ・センサーの校正は不要である。
試験に先立って、 環境磁界が測定される限度値の 1/4 未満であることを確認するために、 被試験装置 (EUT) を切った状態で試験環境がループ・センサーでスキャンされる。 どのような金属物体も EUT から少なくとも試験距離の３倍は離れていることを 確認することは賢明な用心であるものの、 これが試験環境に対する唯一の要求である。 大きな鉄製の物体は、理想的には試験距離の 5倍は離れているべきである。 もし局所的な磁界が高すぎるならば、 より「静か」などこかへ試験場所を移す (6.1.4章を参照)。
試験に際して、EUT は、 最悪の磁気エミッションを生じるようにセットアップされ、 通常の信号を用いて通常の方法で動作させられる。 例えば、オーディオ電力増幅器は、その出力と電源の電流を最大とするために、 最低の定格出力インピーダンスに対して全出力電力で動作させられるであろう。 信号が広い周波数帯にわたり得るならば、標準的な試験波形を用いるべきである ―― [3] は、オーディオ機器に対しては「ピンク」ノイズを、 ビデオ機器に対しては 100.0.750.0 カラー・バーを規定している。
いくつかの動作モードを持つ EUT は、
どれが最悪のエミッションを生じるかが技術的な分析から明らかでないならば、
それぞれのモードで動作させて試験すべきである。
ループ・センサーは、EUT の表面上を、
ラック・マウントを意図した機器においては 100mm、
ラック・マウントを意図していない機器においては 1m 離してスキャンさせられる。
センサーは、Figure 6B に示すようにセンサーのコイルの面をその面と平行として、
規定された距離で EUT の上面、下面、そして全ての側面をスキャンする。
ループ・センサーは、 スペクトラム・アナライザの少なくとも１回のスイープのあいだ、 それぞれの試験箇所に保持されるべきである。 エミッションが変化し得る場合 (例えば、動作や状態のシーケンスを通る EUT) には、 少なくとも１回、望ましくは数回の完全な動作サイクルのあいだ、 全周波数範囲にわたる最大の読みが同定されるように、 アナライザのピーク・ホールド・モード (もしそれがあれば) を用いた 何回ものスイープが行なわれるべきである。
1m の試験のためには大きな直径のコイルを使うことができ、
それは Figure 6A のループ・センサーよりも敏感となるだろう。
[3] の Annex A は、
ほかの種類のコイルの変換係数の決定に使用できる式を与えている。
磁界エミッションに対する限度値は、[3] の本文で与えられている。
それらは、Figure 6C に示すように、
EUT の意図された動作環境と測定距離に依存する。
この試験法は、実効値か準尖頭値の検波器を使えると言明しているが、
その限度値はいずれの検波器に対するものであるかを言明していない。
準尖頭値検波器は少なくとも実効値と同じ高さを与え、
決してそれよりも低くはならないので、
おそらくは準尖頭値を使うのが最良であろう。
唯一の実際のコスト上の問題は、 オーディオ周波数スペクトラム・アナライザ、特に準尖頭値を持つものである。 オーディオ周波数範囲内では、 通過帯での既知の増幅度と既知のフィルタ帯域幅を持つ 帯域通過フィルタを設計して製作することは比較的容易であり、 そのようなフィルタをスペクトラム・アナライザの代わりに使用できる。 ここでは適切な帯域通過フィルタの回路や設計式は与えないが、 大抵のフィルタ設計の教科書で見付かるであろう。
オシロスコープか電圧計 (周波数範囲にわたって正確な、望ましくは真の実効値の) と 手動同調式帯域通過フィルタを用いて、 いくつもの周波数を一つづつ測定してグラフをプロットするのは、 その周波数範囲が３桁にわたることからかなり時間を要するプロセスとなる。 電圧同調式帯域通過フィルタを設計し、 測定された電圧の振幅／周波数表示を生成するために それをオシロスコープの X 軸掃引電圧に連動させる ――実質的に、簡単なスペクトラム・アナライザとなる―― ことは可能であり、これは測定を遥かに速くするだろう。
速すぎるスイープ速度を選択しないように注意すること。 10Hz 通過帯域は、正しい応答を得るためには、実に遅い周波数変更速度を必要とする。 これに関する式があり、 それは大抵のスペクトラム・アナライザの教科書や説明書で見付かるであろうが、 最大のスイープ速度は単にスイープ速度を変えて 一定の振幅の信号がそれよりも上で低く測定される速度を探すことで見付けられる。
CISPR16 の技術仕様に従って粗雑な準尖頭値検波器を設計して組み立てることも
極度に困難ではない。
その大きな過負荷余裕のため、
正確な準尖頭値検波器の設計は極めて難しいが、
Figure 6D に示す粗雑な設計は、
極端なパルス波形を持たない信号に対して
ほどほどに正確な結果を与えることがわかっている。
専門家向けオーディオの試験の際には、 ピンク・ノイズ発生器を持っていないならば、 ピンク・ノイズは一次フィルタが与える 6dB／オクターブではなく 3dB／オクターブで低下するスペクトラムを持つことを念頭に置いて、 それをオーディオ帯のために設計して作ることができるだろう。 単に適当なピンク・ノイズ・オーディオ信号発生器を借りた方が簡単かも知れない。
ピンク・ノイズの代わりに正弦波信号源を用いてオーディオを試験することはできるが、
それぞれの試験信号周波数を用いて
全周波数範囲でエミッションを確認することが必要となるため、
極度に時間を要するものとなり得る。
掃引式正弦波信号源は時間の節約を助けられる。
ピンク・ノイズ・スペクトラムを真似るように
周波数の上昇に従ってその振幅を低下させない限りは、
単一の周波数での試験はオーディオ製品を過剰試験するかも知れない。
ホワイト・ノイズ・オーディオ信号発生器は非常に容易に作れるが、
高い周波数で過剰試験をするであろう。
(過剰試験は悪いこととは限らないことに注意されたい
―― もしその EUT が変更を必要とせずに合格するならば、
時間とコストの双方が節約されたのかも知れない。)
必要であれば、大きな金属物体 (特にそれが強磁性体であれば) に近くないように EUT を動かすことも良い考えである。
床暖房が、床のレベルで 160A/m、 床から 1m の高さで 16A/m を生じていたことがある。 高層ビル内のオフィスにおいて、 大きな配電変圧器から開閉器室への床下ケーブルによって、 床のレベルで 8A/m、机の高さで 2A/m が引き起こされていたことがある。 400kV 架空送電線の下の地面のレベル (建物の外) で 32A/m が見付けられるが、 地下の 400kV 送電線の上の地面のレベルでは磁界は 160A/m となり得る。
変圧器やモーターは近傍に強い磁界を生じ得るが、 最大の環境磁界問題は、 大抵は相や中性線のそれぞれに独立した導体が用いられる 大電流を運ぶ長い主電源ケーブルやバスバーによって引き起こされる。 負荷に関係する全ての相と中性線を含んだケーブルは、 遥かに低い磁界を発生する。 ケーブルから遠くに離れることは助けとなるであろうが、 その磁界は距離によって変圧器やモーターの場合よりも緩やかに低下する。 高い環境磁界が低圧 (230 / 400V) 配線によって生じている場合は、 大抵はケーブルと直角の方向に数メートル動くことで回避できる。
設計の良くない床暖房は暖房範囲全体に対して問題を生じる可能性があり、 上の階のための床暖房も同程度に悪いものとなり得る。 施設によっては保護接地線と中性線が一緒となった (PEN として知られている) 配電システムを用いており、 これは施設全体の予期できない場所に高レベルの 50Hz 環境磁界を発生し得る。 施設によっては、気付かれていない中性線 ― 接地間故障があり、 これも予期できない広い範囲にわたって高い 50Hz 磁界を発生し得る。
電力ケーブルからのエミッションはその電流に依存するであろうことを憶えておくこと。 近傍に太い電力ケーブルがあるならば、 そのケーブルの全ての大きな機械、加熱、あるいは照明の負荷が、 その環境を確認している時に最大電流を流していることを確かめること。 あるいは、その代わりに、 試験中にそのような大電流負荷が動作させられないようにする。
近傍に高圧送電ケーブル (架空か地下の) がある場所では 広い範囲にわたって強い磁界がある可能性があり、 充分に静かな環境を見付けるためには そのケーブルと直角に何十メートルか動くことを必要とするかも知れない。
[5] を引用している整合規格のほとんど (全てでないならば) は、それを、 CRT、電子増倍管、可動コイル型マイク、マイク用トランス、ホール効果センサー、 磁気記録／再生ヘッドなどのような、 磁気に敏感なコンポーネントを含んでいる製品に適用するだけである。 50Hz 磁界からの干渉を受け得るのは磁気に敏感な部品だけではないので、 環境の予期される 50Hz 磁界が 現場での信頼性問題 (あるいは VDU の Display Screens 指令への不合格) を引き起こさないであろうことを確かめるために 全ての新製品をこの方法で試験する ――少なくとも開発中に―― ことには良い論拠がある。
それが [5] の磁界均一性と校正の要求を満足する限りは、 適当などのような誘導コイル (あるいはコイル列) でも使用できる。 ほとんどの試験者が自分のコイルを設計する必要がないように、 [5] は３種類のコイル (典型的な３つの異なった寸法の EUT をカバーするための) の製作に関する有用な情報を与えている。
Figure 6E は EMCO から供給されている
市販の「ヘルムホルツ (Helmholtz)」コイルを示す。
ヘルムホルツ・コイルは、大きな空間にわたって
単一のコイルだけで可能なものよりも均一な磁界を作るために、
離して置かれた２つの誘導コイルを用いる。
市販のヘルムホルツ・コイルの一部は、
単に駆動するコイルをスイッチで選択することによって
異なった方向の磁界を試験できる
――EUT やコイルを動かす必要がない――
ように、3軸に配置された３つのコイル・ペアを持つ。
誘導コイルは、適当な磁界強度計をコイルの幾何学的中心に
読みが最大となる方向に向けて置くことによって校正される。
誘導コイルは実際の試験で用いられるであろうものと
正確に同一のセットアップを用いて試験発生器に接続され、
コイルへの発生器の出力電流が監視される。
[5] は、磁界とコイルの駆動電流の比率を「コイル係数」と呼ぶ
(それは、より普通には「校正係数」や「トランスジューサ係数」として
認識されているであろうが)。
試験発生器の [5] での規定も極めて単純である
―― それは誘導コイルを駆動して必要な磁界強度を達成するために充分な
正弦波電流 (全歪みは最大 8%) を出力できなければならない。
AC 主電源から給電される、
妥当な品質を持つ適当な定格の変圧器は、全く充分に良いものである。
Figure 6F は、適当な発生器のブロック図を示す
―― 単なる、可変変圧器 (電流の、従って磁界レベルの設定のため) と、
充分な二次電流定格を持つ高変圧比の降圧変圧器である。
単巻誘導コイルを 100A で駆動するには大した電圧は必要ないので、 降圧変圧器の二次巻線電圧は 3V rms 程度の低いものであるかも知れない。 複巻の誘導コイルでは所定の磁界強度のために必要な電流は それに従って低くなるであろうが、より高い駆動電圧を必要とするであろう。
[5] では 1〜100A/m の様々な磁界強度試験レベルが示唆されているが、
[5] を引用している一般／製品群整合イミュニティ規格は、
大抵は住居／商業／軽工業環境のためには 3A/m を、
工業環境のためには 30A/m を規定しているだけである。
ある種の製品、特に大電力環境や、
他の機器や電力ケーブルの非常に近くで使われるものでは、
EMC 指令への適合のために必要なものを超えた磁界強度での試験が
信頼性のために必要となるかも知れない。
上の 6.1章で述べた方法は、
製品の意図された環境の磁界の測定に使用できる。
卓上型機器のための試験セットアップは Figure 6G に示す。
試験発生器と誘導コイル以外に必要な試験機器は コイル電流を測定する何らかの手段であり、 これは ±2% よりも良い精度を持たなければならない。
Figure 6G が示すように、 EUT は局所安全接地システムに接続された接地基準面 (GRP) の上に置かれる。 GRP は、非磁性金属 ――理想的には少なくとも 0.25mm の厚さの銅かアルミニウム―― で作られていなければならない。 GRP に使用される他の (非磁性の) 金属は、 少なくとも 0.65mm の厚さでなければならない。 GRP の最小の寸法は 1m 四方であり、 それは常に４辺全てで EUT よりも出ていなければならない。
EUT はコイル (あるいはコイル列) の中央に 100mm の厚さの絶縁台 ――ポリスチレンや乾燥した木材など―― で GRP から離して置かれ、 もしそれが保護接地端子を持つならばそれは GRP に接続される。
コイルは全ての辺で EUT よりも大きくなければならず、 EUT からの間隔の下限はコイル面内の EUT の寸法の 1/3 である。 しかし、コイルが GRP に接続されている場合 (Figure 6G に示すように) は、 その下面で EUT を 100mm 以上超えて広がる必要はない。 (Figure 6G に示すコイルは、GRP をその辺の１つとして用いている。)
補助機器、信号や制御のケーブル、電源、負荷、そしてその他の試験機器は、 試験に際して EUT が完全に動作し、その機能的性能が 合格／不合格の決定のために充分な精度で監視されるように構成される。 EUT ケーブル全ては、その長さの 1m が磁界に曝される ―― 補助機器、及び／もしくは試験機器の干渉の防止に必要ないかなるフィルタも、 そのグランドを GRP に接続し、 それらと EUT のあいだに 1m のケーブルを持たねばならない。
誘導コイルからの磁界はかなりの距離広がるので、 それらが EUT に印加されている磁界に影響されないことを保証するためには、 補助機器、及び／もしくは試験機器を数メートル離して置く必要があるかも知れない。 50Hz 磁界の効果的なシールドには相当の厚さの金属を必要とするので、 二層金属チャンバーでさえも相当漏洩するかも知れない。
この試験のための環境条件を満たすことは非常に容易である： 温度 15〜30℃； 相対湿度 25〜75%； 気圧 860〜1060mbar； そして試験結果に影響しないために充分に低い電磁妨害。 50Hz 磁界環境は、試験レベルの 1/10 以内でなければならない。 これは、誘導コイルの校正に用いられる磁界強度計、 あるいは上の 6.1.1章のループ・センサー法を用いて確認できる。
一般／製品群整合規格は、 印加される試験レベルと満足すべき動作基準を定めるであろう。 試験は、コイル (あるいはコイル列) と EUT を、３つの直交方向 ――通常は前後、左右、そして上下―― の磁界に対する EUT の反応を試験するように配置して実施される。
大きな機器のためには、単一のコイルは断面を「照射」できるかも知れないが、 EUT をかなり一定な磁界に浸すようなコイル列は大きくて扱いにくいかも知れない。 そのような場合には、EUT の断面を「浸す」ために EUT よりも大きい単一のコイル (既に述べたような) を用い、 最終的に EUT 全体 (そしてその相互接続ケーブルや電源ケーブルの 1m) が試験されるように EUT に沿ってコイルを動かしながら 試験を数回繰り返すことが許容される。 磁界のカバー範囲の重なりを保証するために、コイルの「ステップ」の距離は コイルの最短の辺の長さの 50% を超えるべきではない。 そのような場合の試験時間の節約のために、 EUT の最も敏感な領域を同定するために小さい試験コイルを使い、 それからその領域 (あるいは空間) を丁度浸すように 大きいコイルを置くことができる。
試験に関係しない敏感な機器は、 干渉されないように充分に遠くに離すべきである。
安全上の注意： 危険防止のため、心臓ペースメーカー、 あるいは類似のインプラントや身体装着型の医療機器を付けている人は、 これらの試験で発生させられる磁界に曝されるべきではない。
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主電源の品質が低い場合や プログラマブルな磁界強度レベルが必要な場合に有用かも知れない、 主電源から給電される可変変圧器式の試験発生器の代替の１つは、 オーディオ電力増幅器に接続した信号発生器を使うことである。 大抵の市販のオーディオ電力増幅器にとっては、 単巻コイルのインピーダンスは 降圧変圧器なしに駆動するためには低すぎるであろうが、 多巻のコイルは典型的なオーディオ電力増幅器の 出力電流定格に整合するように設計できる。 それが必要な規定を満足する限りは、 [5] にはその試験発生器に使用する技術を制限するものはない。
[5] に従った磁界イミュニティの全面的な適合性試験のための
市販の試験機器がいくつも存在している。
それらのほとんど (全てでないならば) は、
数種類のイミュニティ試験を１つの「ボックス」内に組み込んでおり、
一部のものは、追加の試験「モジュール」
(通常は EN 61000-4-5、-4-8、-4-9、及び -4-11) を加えられる、
試験能力の基本的なセット
(通常は EN 61000-4-2、及び -4-4) とともに販売されている。
Schaffner 「Best Plus」 (Figure 6H) や、
UK で Omiran が販売している HILO-TEST ユニット (Figure 6J) は、
そのような試験機器の例である。
もし単巻誘導コイルで必要となる太い導体と高い電流が問題であれば、 その代わりに木枠と標準的な太さのワイヤを用いて 適合するコイルを容易に作ることができる。 １回の代わりに 10回巻くことは、おおよそ 1/10 の駆動電流 ――30A/m の磁界を作るために 3A 前後―― を必要とするであろう。 必要な主電源電流は 1A 以下となり、 様々な適当な安価な標準品の降圧変圧器と可変変圧器は 大抵の販売業者から入手できるであろう。 そのような設計でも、依然として適合する試験システムを作れる。
50Hz 磁界調査用メーターは高価ではなく、 例えば [6] のような公表されている記事や、 大抵の交流回路の教科書に載っている最初の原理から 簡単に設計して製作することもできるものの、 磁界の校正は低コストとする上での問題かも知れない。 上の 6.1章で述べたループ・センサーも使用できる。 適当な磁界調査用メーターは、大きな出費なしに借りられる。 多くの磁界調査用メーターやホビー向け回路はその結果を A/m で与えないので、 ここでいくつかの変換係数 (空気中でのみ有効) を示しておく：
パルス性磁界試験を規定している一般／製品群規格は (執筆の時点では) 知られていないが、将来はあり得る (例えば、発電所や変電所用の機器のイミュニティのための IEC 61000-6-5 が EN となり、整合化されたならば)。
この試験機器や方法は [5] で規定されており、それは (発生器の電流出力要求を除き) 上の 6.2章で述べたものと同一である。
他の整合イミュニティ規格でカバーされている他の機器のほとんどには、 [5] が適用されるであろう。 しかし、特に他の電気／電子機器の近傍での動作を意図しているならば、 設計／開発、トラブルシューティング、あるいは品質保証に際して [7] の磁界イミュニティ試験を適用することによる利益があるかも知れない。
このコイル列は、ラック・マウントや、 他の電気機器や相当の電流を運ぶケーブルの近傍での使用を意図していない、 その直径 700mm の球状の空間に収まる製品のために用いられる。 EUT は、その中心を２つのコイルの中心を結ぶ線の中点に合わせて置かれ、 試験が実施される。 その後、EUT かコイル・アセンブリが、 コイルの中心線を最初の方向と直角にした試験のために再配置され、 さらに３つの直交する方向が試験されるように再配置される (通常は、前後、左右、そして上下)。
勿論、その校正係数 ([5] が「コイル係数」と呼んでいるもの) が 計算か測定される限りは、 大きな製品の試験のためには大きなヘルムホルツ・コイルを使用できる。
この直径 500mm のコイルは、ラック・マウントや、 他の電気機器や相当の電流を運ぶケーブルの近傍での使用を意図していない 大きな製品のために、ヘルムホルツ・コイルの代替として用いられる。 このコイルは、EUT の試験される面から 100mm に、 コイルの面を EUT の面と平行にして置かれ (Figure 6B に似ている)、 EUT が試験される。 それぞれの試験の後で、そのコイルは EUT の他の面から 100mm に再配置され、 全ての面が試験されるまで試験が繰り返される。
[7] はそう言ってはいないが、EUT が 1m よりも大きい寸法を持つ場合には、 該当する面はその 500mm コイルを その面の 1m×1m の領域のそれぞれに置いて試験すべきである。
このコイルは、ラック・マウントされ、 あるいは他の電気機器や相当の電流を運ぶケーブルの近傍で 使われる可能性がある機器の試験のために用いられる。 このコイルは、EUT の試験される面から 50mm に コイルの面を EUT の面と平行にして置かれ (Figure 6B に似ている)、 試験が実施される。 それぞれの面は、その 133mm コイルを その面の 300mm×300mm の領域のそれぞれに置いて試験すべきである。 この規格からは、どの面をこの方法で試験すべきかは明らかでない ―― ラック・マウントされ、あるいは垂直に積み重ねられる機器については、 確実に上面と下面は試験すべきである。 通常は前面は試験する必要はないが、 ありそうな設置方法や製品の使用方法によっては側面や背面は試験が必要かも知れない。
上の３種類のコイルのそれぞれについて、
そしてコイルのそれぞれの位置について、
コイルは Figure 6K で示したそれぞれの試験周波数に対して規定された磁界
――[7] でカバーされる５つの動作環境について――
を発生するために充分な電流で試験発生器で駆動される。
試験周波数は、50Hz〜10kHz の全範囲を連続的にスイープし、
あるいはディケード毎に３つのスポット周波数でステップさせられる。
この試験は、周波数スイープ／ステップの速度と EUT の動作モードにおける
一通りの試験のために充分に長く、それぞれの位置で続けられる。
一般的な周波数スイープに加えて、
EUT が使っていることがわかっているスポット周波数が試験される
(例えば、EBU 時間コードを使っている EUT は 3kHz で試験される)。
[7] は適切な試験発生器を規定していないが、
通常は、プログラマブルなオーディオ周波数信号発生器と
ほどほどに強力なオーディオ増幅器となろう。
[7] で規定されたコイルと最大の磁界強度 (50Hz で 10A/m) では、
必要な電流は 500mA 未満となるだろう。
もしコイルの 50Hz における負荷インピーダンスが増幅器のために低すぎるならば、
そのインピーダンスをより適当な値まで上げるために降圧変圧器を使用できる。
誘導性負荷を好まないオーディオ増幅器は奇妙なものであろうが、
もし安定性の問題が発生したならば、並列の抵抗性負荷が助けとなる筈である。
Figure 6L は、適切な試験発生器のブロック図を示す。
上の 6.2章で述べたイミュニティ試験と同様、 EUT は、全ての必要な補助機器、信号や制御のケーブル、 そして試験中に機能的性能仕様が満足されているかどうかを決定できる 測定機器とともにセットアップすべきである。 全ては、補助機器や測定機器が試験の磁界によって影響されないように配置される。 EUT は、実施されている試験によって最も影響されると予期されるかも知れない、 その動作モードに対する典型的な現実の信号を用いて動作させられるべきである。 例えば、マイクロフォン入力を持つオーディオ増幅器は、 それがライン・レベルの信号と低い増幅度設定よりも敏感となりそうなことから、 マイクロフォン・レベルの信号と適当な増幅度で試験されるべきである。
繰り返すが、上の 6.2章と同様、
環境磁界は試験の影響が環境に伴う影響からすぐに弁別できるだけ、
充分に低いべきである。
6.2章とは異なり、
この要求は 50Hz のみではなく全試験周波数に広がる。
[7] は環境磁界強度を規定していないが、どの試験周波数においても、
それは試験レベルよりも少なくとも 10dB (理想的には 20dB 以上) 低いべきである。
環境磁界は、上の 6.1章で述べた
ループ・プローブとスペクトラム・アナライザを用いた方法ですぐに確認できる
しかし、スイープ正弦波の代わりに所定の周波数分布を持つ雑音を 電力増幅器に送ることによって、 試験の時間を (そして、従って費用を) 節約することが可能かも知れない ―― その信号の振幅と周波数分布は、 [7] で要求されている振幅 ― 周波数を ほぼ正しく作るように設計するのが最良であろう。 オーディオ増幅器の電力定格はかなり大きくすることが必要となるだろうし、 それはより高いものとなるだろう。
EN 61000-4-11 [8] は、 様々な一般／製品群整合 EMC 規格で引用されている、 AC 主電源のディップ、サグ、ブラウンアウト、スウェル、 電圧変動、ドロップアウト、及び短時間停電に対する基本試験規格である。 EMC 指令への適合への技術構成ファイル・ルートを用いる際には、 [8] を直接使うことが可能である。
EMC 指令適合性に関しては、 実際の試験レベルを定めるのは常に一般／製品群規格であるが、それらは 往々にして [8] で示唆された試験とレベルよりもかなり包括的でないものとなる。
ある油田探査プラットフォームでは、 そのディーゼル発電機に接続された 巨大なドリル用モーターの始動と停止の影響によって引き起こされる、 その 230V 主電源の ±100% の電圧変動があった。 この大きな電圧変動は、それぞれ数秒で終わるであろう。 緊急用 230 / 400V 主電源発電機は、典型的な商用電源よりもかなり悪く、 また [8] で示唆された試験限度値よりもかなり悪い出力品質を持つ。
従って、[8] は商用交流電源から動作する機器のためにのみ 適当なものであることを忘れないこと ―― もしあなたの製品が自家用主電源で動作することになりそうであれば、 それが曝されそうなものを見付け出し、 それに従って設計や試験を行なうべきである。 それらは EMC 指令の元で整合化されていないものの、 地上、海上、そして空中の乗物の中で用いられる 電源に対する規格は既に存在している。
ディップ (dip) は、
負荷の切り替えや AC 給電網の障害回復によって引き起こされる、
供給電圧の短時間の低下である。
それは、無停電電源や緊急電源バックアップ・システムにおける
主電源と代替電源とのあいだの切り替えによっても引き起こされ得る。
ディップの例： 10ms の 30% ディップ、100ms の 60% ディップ。
Figure 6M は、20ms (主電源の１サイクル) の 40% ディップを示す。
40% のディップは、公称値の 60% への供給電圧の低下と等価である。
ディップは孤立して起きるとは限らない
―― 時には、短い間隔で一連のディップが発生する。
大抵のイミュニティ試験では、
ディップはゼロ・クロスで開始／終了するように不意に印加するが、
実際にはそれは緩やかな変化率を持つかも知れず、
また主電源サイクルの任意の点で開始／終了する。
短時間停電 (short interruption) は、１分以内に終わる、
供給電圧の 80〜100% の低下 (80% 以上のディップ) である。
「ドロップアウト (dropout)」という用語は、
一般に同じものを意味するものと理解されている。
１分よりも長い主電源給電の中断は単に「停電 (interruption)」と呼ばれ、
これは [8] ではカバーされない。
Figure 6N は 60ms の長さ (主電源の３サイクル) の短時間停電を示す。
ディップと同様、それは負荷の切り替えや故障回復によって引き起こされる。
これもディップと同様、それは、
無停電電源や緊急電源バックアップ・システムにおける
主電源と代替電源とのあいだの切り替えによっても引き起こされ得る。
この試験セットアップは極めて単純であり、これは Figure 6P に示す。
この発生器の特性は、EUT 突入電流供給能力のための特別な要求を含めて、 [8] の 6.1.1章で規定されている。 突入電流は発生器によって制限されるべきではない： 突入電流による損傷は、往々にして停電の最も厳しい結果であり、 充分に試験されねばならない。 [8] は、230V 主電源について 500A の最大供給能力を求めているが、 それが確認されており、かつ 実際に EUT 突入電流が発生器の確認済みの供給能力の 70% 未満である限りは、 それがより低いことを認めている。 この規格の Annex A は EUT のピーク突入電流と 発生器の供給能力の双方の測定の手続きを与えており、 全面的な適合性のためには、これらの要求に注意を払う必要がある。
Figure 6H や 6J に示したもののような、 [8] に対する試験のためのいくつもの商用製品が入手可能である。
電磁環境が EUT の正しい動作が可能なものであり、また主電源電圧が監視され、 所望の値の 2% 以内になければならないことを除いては、 試験環境に対する特別な要求はない。 温度、湿度、及び気圧の要求も非常に緩く (15〜35℃、25〜75%、860〜1060mbar)、 ほとんどどのような場所のテスト・ベンチや床の上でも 全面的な適合性試験を行なうことができる。
それぞれのディップや停電の試験 (ディップの深さと時間は、該当する一般／製品群整合規格で規定される) は、EUT の動作の代表的なモードのそれぞれについて、 10秒の間隔を置いて３回繰り返さなければならない。 0.5サイクルのディップや停電の試験が規定されている場合には、 ２組の試験 ―― 0°、及び 180°で開始される―― を行なうべきである。
ディップや停電の試験は 主電源供給電圧のゼロ・クロスで開始／終了させるのが普通であり、 その場合にはその試験のゼロ・クロスの精度は ±10% であるべきである。 執筆の時点ではそのような要求を持つものは知られていないものの、 製品群規格は他の位相角での開始、及び／もしくは終了を規定するかも知れない。
EUT の機能は、それぞれの試験の途中や後でのいかなる低下も識別されるように 適切に監視しなければならず、 それぞれの組の試験の後で全面的な機能確認を行なわなければならない。 該当する一般／製品群整合規格は、 それぞれの場合に適用すべき性能低下基準を規定するであろう。 多くの場合、表示イメージや照光の、試験中の一時的な照度低下は許容される。
EUT の定格電源電圧範囲がその最低電圧の 20% を超えないならば、 試験にはその範囲内の任意の電圧が使用できる。 しかし、EUT がより広い電圧範囲を持つ場合には、２組の試験が必要となる： 最低の定格電圧で１回、そして最高の電圧で１回。
[8] は、一般／製品群整合規格のほとんどがそれから選択している、 しっかりとした試験方針を示唆している： それぞれ 0.5、1、5、10、25、そして 50サイクル (すなわち、10、20、100、200、500、及び 1000ms) の持続時間の、 30% と 60% のディップ、及び短時間停電。 [8] は、欧州の電力事業者が 3000サイクル (60秒) まで持続する ディップを測定したことがあることにも言及しており、 [8] で示唆されたものより長いディップでの試験の主張もあるかも知れない。
EMC 指令適合性のためには 該当する整合規格で規定されたディップだけで試験することも可能であるが、 [8] で規定された全範囲にわたる、 あるいはさらに長い持続時間 ――例えば 60秒まで―― での試験によって、 製品の信頼性の向上が達成されるかも知れない。 EUT の設計とコンポーネントの評価は、整合規格の要求を超えた試験が 商業的な利益を持ち得るかどうかを明らかとする筈である。
今日では、典型的な主電源の波形は、頭が潰れている、 純粋な正弦波ではないものとなりそうである。 これは、突入電流と EUT の電源蓄積電圧に影響し得る ―― そして、ディップや短時間停電の試験結果に影響し得る。 残念ながら、[8] は主電源の波形の純度を規定しておらず、 EUT の試験電源を商用電源から得ている場合には その電源が以下のような EN 61000-3-3:1995 の要求を満たしていることを 確認することを推奨する：
安全上の注意： AC 電源波形を確認する際には、全ての必要な危険防止手段を講じ、 230Vrms 測定のために安全規格 EN 61010-1 に適合した機器やリードを用いること。
主電源の波形が良くない場合には、 電動発電機 (motor-generator set) で再生成させることが可能かも知れない。 他の代替手段には、ガソリンやディーゼルによる交流発電機や、 連続二重変換無停電電源が含まれる。 これらの代替手段は、波形歪みや過渡雑音に煩わされ、 EUT 突入電流仕様に対応できず、 そして内燃式のものは非常に悪い周波数安定性を持つかも知れないので、 慎重な選定とサイズの決定が必要である。
主電源波形の改善のために使用できる、 数種類の AC 主電源「波形補正装置」やアクティブ力率補正機器もある。 どのような再生成や波形補正のための機器も、 [8] で規定されたピーク EUT 突入電流を供給できるように、 EUT の VA や W よりもかなり大きい定格を持つ必要があるかも知れない。
EUT の主電源を合成する試験発生器を使うことができる。
それらは、内蔵の正弦波源と大きな電力増幅器か、
DC 電圧のパルス幅変調と 50Hz のみを残すためのフィルタを用いている。
その製造業者によって [8] に適合すると規定されているならば、
電力事業者からの電源が良くない波形を持つとしても、
それは規定された EUT 供給電圧と突入電流を提供する筈である
―― そして、その周波数安定性は素晴らしい筈である。
この試験には高周波が関係しないので、 Figure 6Q に示すように、ソリッド・ステート・スイッチのペア、 ２つの可変変圧器、及びタイミング発生器を用いて 自前の電源ディップ／ドロップアウト試験器を作ることは実に容易である。
安全上の注意： 主電源に関係する全ての安全上の点は正しく扱わなければならない！ 安全規格 IEC/IN 61010-1:2001 を全面的に適用すること。
Figure 6Q は [8] からコピーされた。
スイッチの制御は、それがゼロ・クロス式のモジュールであれば最も容易である
―― そうすれば、それを標準的なラボ用パルス発生器から制御できる
(２つのスイッチを逆相で駆動する)。
Figure 6Q のブロック図は回路図ではないので、
製作を始める前に、より詳細な設計が必要である。
ゼロ・クロス式デバイスを使用することから、
この発生器は半周期全体をスイッチできるだけである。
これは現時点で [8] を引用している
ほとんどの (全てでないならば) 整合規格のために充分であるが、
制限となるかも知れない。
「ソリッド・ステート・リレー」を IGBT や パワー MOS-FET で置き換えれば、
主電源波形の任意の位相で
ディップやドロップアウトを開始／終了させられるようになる。
この場合、再現可能な切り替え位相角が達成されるように、
制御回路は単純なパルス発生器よりも複雑なものが必要となる。
電力スイッチの双方が同時にオンとなる可能性 (１つがゆっくりとオフし、他方が即座にオンするかも知れない) があり、可変変圧器が低い電圧に設定できるならば、 主電源からの突発的なサージ電流があり得る ―― その可能性が設計によって防止されていないならば、 ソリッド・ステート・リレーの保護のためのヒューズが必要となる。
自家製の試験器で突入電流を扱うためには、 電力スイッチが EUT の最大主電源消費電流の少なくとも 50倍の 単サイクル・サージ電流定格を持つことと、 可変変圧器の連続電力定格が EUT の最大 VA 定格の少なくとも 5倍 であることを確認すれば充分な筈である。
可変変圧器を電源の所定の割合に設定すれば、上のものはディップ試験器となる。
可変変圧器をゼロに設定
(あるいは２個目の電力スイッチを全く動作させないことで、回路から外す)
すれば、それは短時間停電試験器となる。
代替手段の１つ (Figure 6R を参照) は、
必要な EUT 主電源電圧／電流 ――突入電流を含む―― を扱える
オーディオ電力増幅器を駆動するためにプログラマブル波形発生器を使うことである。
多くの標準的なオーディオ増幅器製品は、
不充分な出力電圧や不充分な電流のため、
あるいは電源装置で典型的な非線形な負荷を扱えないことから、
目標を達成できないであろう。
電圧の要求は、２つの増幅器の出力を「ブリッジ」することによって
達成できるかも知れない。
適切な試験機器を用いた場合、 全面的な適合性試験をオン・サイトで行なうことが往々にして可能である。 主電源や他のパラメータに何らかの規定外の点があるならば、 妥当な精度での予備適合性試験を実施することが往々にして可能である。
単にスイッチのオン／オフを切り替えることによる試験は 再現可能な試験と見倣すべきではない (理由は 6.5.2章を参照) が、 何もしないよりは良いかも知れない。
ブラウンアウト (brownout) はサグの別名であり、
これは USA やカナダで最も良く聞かれる用語である。
サグは、0V まで低下するかも知れない。
Figure 6S は、公称電圧の 50% までの典型的なサグ試験のための
電圧 ― 時間プロフィールを示す。
スウェル (swell) は、 簡単に言えば数秒で終わるかも知れない電圧の緩やかな増大であり、 これは電圧の速やかな増大であって 通常は 1ms 以内に終わるサージやトランジェントと対比できる。 電力技術者はスウェルを「サージ」と呼ぶことがあるが、 これは EMC の世界では混乱を招き得るので、 この種の妨害のためにはこの用語は使わない。
典型的な主電源は ±6% (UK のように、時には ±10%) の電圧許容差が規定されており、 日常的にこの範囲を経験することも珍しくはない。 安全性試験は長時間 ±15% を印加するので、 このレベルの電圧は明らかに不可能ではない。 欧州の主電源給電は、何分にも、あるいは何時間にもわたって電圧が相当低下する 伝統的な米国風のブラウンアウトを被ることはないという主張がしばしば聞かれる。 しかし、1990年台後半のスペインの一部では、 平日毎の１時間か２時間の公称電圧の 60% への低下が日常的なものとなっていたことがある。 そして、数年前には、 UK の一部で８時間にわたる公称電圧の 50% への低下が見られた。
ストールし、過熱し、その絶縁を損傷する可能性があることから、 著しく低下した供給電圧は 全ての AC モーターやある種の DC モーターで特に問題となる。 これは、その機器の損傷は気にしないとしても、 発火、発煙、そして感電の危険の増大をもたらすかも知れない。 産業プラント用 AC モーターは、大抵は モーター制御回路遮断器 (motor control circuit breaker; MCCB) で 他の保護機能と組み合わされている不足電圧トリップで保護されている ―― しかし、モーターが保護されているとしても、 それを含むプロセスはダウンタイムを、 そしておそらくはその製品の損傷をも生じるであろう。
著しく上昇した供給電圧 (スウェル) も問題である。 該当する EN 安全規格を満足する製品においては 絶縁の降伏や火災の危険は問題とならない筈である。 しかし、金属酸化物バリスタ (MOV) のような主電源サージ防護デバイスは、 往々にしてその機器をより良く保護するために 予期される最大の主電源電圧のできる限り近くで導通を開始するように設計される。 その結果として、スウェルが数秒以上続いたならば、 その主電源の公称値を大きく超える電圧における漏洩電流は 過熱と損傷を引き起こし得る。 [8] は安全性試験がそのような問題を見つけ出すと仮定しているかも知れない ―― これについてはそれほど確信はない。
[8] はどのようなスウェル試験の実施も示唆していない。
サグに対する試験セットアップは極めて単純であり、
これは Figure 6T に示す。
その試験条件は、上の 6.5.1章で述べた ディップや停電の試験に対するものと全く同一である。
多くのテスト・ラボは [8] での発生器の規定に適合する プログラマブル試験機器の使用を好むであろうが、 これらの試験はストップウォッチを用いて可変変圧器を操作することによって 手動で容易に行なえる。 試験に際しての EUT の電源電圧は、緩やかに変化させることができ、 あるいはそのステップが公称主電源電圧の 10% を超えず、 主電源波形のゼロ・クロスで行なわれる限り、 ステップ的に変化させることもできる。
サグ試験の規定 (電圧、持続時間、ランプ・ダウン／ランプ・アップ時間) のそれぞれについて、 10秒の間隔を置いて３回試験する。
EUT の機能は、それぞれの試験の途中や後でのいかなる低下も識別されるように 適切に監視しなければならず、 それぞれの組の試験の後で全面的な機能確認を行なわなければならない。 該当する一般／製品群整合規格は、 それぞれの場合に適用すべき性能低下基準を規定するであろう。 表示イメージや照光の、試験中の一時的な照度低下は許容されるかも知れない。
EUT の定格電源電圧範囲がその最低電圧の 20% を超えないならば、 試験にはその範囲内の任意の電圧が使用できる。 しかし、EUT がより広い電圧範囲を持つ場合には、２組の試験が必要となる： 最低の定格電圧で３回、そして最高の電圧で１回。
[8] は２つのサグ試験を示唆している： それぞれ、供給電圧を２秒間でランプ・ダウンし、 １秒間持続し、 ２秒間でランプ・アップする、40%、及び 0% までの低下。 しかし、ほとんどの (全てでないならば) 一般／製品群整合 EMC 規格は サグやスウェルに対してはどのような試験も全く規定しておらず、 これらの試験を行なうことなく EMC 指令への適合性を宣言することを可能としている。
しかし、[8] に従ったサグやスウェルの試験は、
現場での製品の信頼性を向上する良い方法かも知れない。
現実には、サグは一度に数分や数時間続き得るので、
製品のコンポーネントや設計の評価が可能性がある感受性を明らかにする場合
(特に AC や DC のモーターが関係する場合)、
現場での信頼できる動作を保証するために
１秒だけではなく長時間の試験を行なうことが最良かも知れない。
[8] のサグ試験法 (6.6.1章を参照) に従って、 EUT 供給電圧を低下させる代わりに上昇させることは、充分に簡単そうである。 必要なスウェル範囲を得るためには特別な可変変圧器を必要とするかも知れず、 さもなくば後の 6.6.3章で述べるように 標準的な可変変圧器の後に昇圧変圧器を接続する。
大抵のテスト・ラボは [8] の要求を満足する プログラマブル電源合成試験機器の使用を好むであろうが、 これは公称主電源電圧よりもかなり高い出力は与えられない可能性がある。
だが、スウェル試験はより困難なものとなり得る。
大抵の可変変圧器はその公称電圧からの限定された割合の昇圧のみを許すので、
Figure 6U に示すように可変変圧器の後に昇圧変圧器
――標準的な 230V : 400V のもののような―― を付ける必要があるかも知れない。
スウェル試験に際しての故障モードは大きな電流を流し得るので、
使用する可変変圧器や昇圧変圧器は、
EUT が動作させられる 230V 電源のヒューズ定格、
あるいは EUT の電流定格の 10倍の
いずれか小さい方と少なくとも同じ連続 230V 電流定格を持つべきである。
真の実効値電圧計による校正 (負荷状態での) の後で、
その可変変圧器のダイアルには
容易な使用を助けるために粘着ラベルでマークできる。
ディップや停電の試験に同時制御を用いる場合には、 ゼロ・クロス動作に対する ±10% の規定は１つの相でのみ満たせるので、 その試験発生器は任意の位相角で切り替えられるものでなければ ならないことに注意されたい。
しかし、何らかの目的 (例えば、設計、開発、トラブルシューティング、品質保証、変種) のために代替のイミュニティ試験法が用いられたならば、 全面的な適合性試験との相関はそれほどではないかも知れないとしても、 再現性は非常に重要である。 従って、そのような試験全ては、 適切な再現性の達成の保証を助けるように慎重に考えられた 手続きに従うべきであろう。 それらは、それが適切である限り、 全面的な適合性試験の規定の多くも織り込むべきである。
品質保証プログラムの一部として、 あるいは変種、更新、もしくは僅かな変更の確認のために 代替試験法が用いられる時には、 試験機器と試験方法のある種の「校正」として 「ゴールデン・プロダクト」が推奨される。 ゴールデン・プロダクト・テクニックは、 低コストな EMC 試験機器や手早い試験方法を、 より大きな信頼とともに使用することを可能とする。 「ゴールデン・プロダクト」相関法をどのように使うかについては、 [1] の 1.9章を参照されたい。
代替法が EMC 指令への適合性の宣言の充分な証拠を得るために用いられる場合には、 「ゴールデン・プロダクト」法が極めて強く推奨される。 正規の試験と相関させる ゴールデン・プロダクトや何らかの類似の基礎がなければ、 その代替試験法は大幅な過剰試験が行なわれた場合にのみ 何らかの信頼を与えることができ、 これは極めて高価な製品という結果をもたらし得る。 [1] の 1.9章を参照のこと。
使用する試験方法が 正規の全面的な適合性試験のトランスジューサや手法に近ければ近いほど、 良い相関が達成される可能性が高くなる。
これは、 EMC+Compliance Journal 上で発表された文書を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2004-12-08